DE102013220799A1

DE102013220799A1 - Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in Gasströme

Info

Publication number: DE102013220799A1
Application number: DE201310220799
Authority: DE
Inventors: Willibald Reitmeier
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: DE102013220799B4; WO2015055681A1

Abstract

Es wird eine Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in Gasströme, speziell in das Abgas von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Verringerung der NO_x-Emissionen, beschrieben. Die Dosieranlage umfasst ein Reservoir, ein hiervon abführendes Leitungssystem und eine im Leitungssystem angeordnete Dosiereinheit. Die Dosiereinheit besitzt ein Schaltventil und einen Durchflusssensor. Auf diese Weise kann mit einfachen Bauteilen eine genaue Dosierung und genaue Erfassung der dosierten Menge der in das Abgas einzuführenden Substanz erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in Gasströme mit einem Reservoir, einem hiervon abführenden Leitungssystem und einer im Leitungssystem angeordneten Dosiereinheit.
Bei modernen Dieselfahrzeugen müssen aufgrund von verschärften Abgasgrenzwerten die NO_x-Emissionen verringert werden. Hierzu werden bestimmte Substanzen dem Abgas zugeführt, die die gewünschte Verringerung der NO_x-Emissionen bewirken. Solche Substanzen sind beispielsweise Harnstofflösungen, Ammoniak, gasförmige Kohlenwasserstoffe etc. Es kommen daher feste, flüssige und gasförmige Substanzen zur Anwendung, die dem Abgas zugeführt werden. Es versteht sich, dass hierbei eine genaue Dosierung der zugeführten Substanzen erfolgen muss, um die gewünschte Verringerung der Emissionen zu erreichen. Darüber hinaus müssen Informationen über die zugeführten Dosiermengen ermittelt werden.
Um dies zu erreichen, hat man Dosieranlagen entwickelt, mit denen sowohl eine genaue Dosierung als auch eine Ermittlung der zugeführten Dosiermengen erfolgen kann. Bekannt ist dabei eine Dosieranlage, die eine Referenzkammer und mehrere Sensoren umfasst. Die Referenzkammer wird mittels Einlassventil beispielsweise mit Ammoniak gefüllt. Ein Drucksensor und ein Temperatursensor kontrollieren den Gaszustand. Mittels Auslassventil wird immer wieder ins Abgassystem dosiert. Aufgrund der beiden Sensoren kann man dann immer auf die Dosiermenge rückschließen.
Eine derartige Dosieranlage ist aufwändig ausgebildet, da sie eine Referenzkammer und eine Reihe von Sensoren benötigt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosieranlage der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die mit einfachen Bauteilen eine besonders genaue Dosierung und Erfassung der dosierten Menge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Dosieranlage der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Dosiereinheit ein Schaltventil und einen Durchflusssensor umfasst.
Erfindungsgemäß ist die Dosieranlage dahingehend vereinfacht, dass sie nur noch ein Schaltventil und einen Durchflusssensor (Mass-Flow-Sensor) umfasst. Das Füllen eines Referenzvolumens, wie dies bei der vorstehend beschriebenen Dosieranlage des Standes der Technik der Fall ist, entfällt. Darüber hinaus ist mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Dosieranlage eine hohe Dosiergenauigkeit, insbesondere ohne Druckstöße, möglich. Es können sowohl feste als auch flüssige oder gasförmige Substanzen dosiert werden und die entsprechenden Dosiermengen können in allen Fällen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Eine volumengenaue Dosierung ist daher weitgehend unabhängig vom Aggregatzustand der zu dosierenden Substanzen möglich, und zwar sowohl in Stoffmasse als auch in Stoffmenge. Diese Vorteile sind mit einfachen Bauteilen, nämlich lediglich einem Schaltventil und einem Durchflusssensor, erreichbar.
Vorzugsweise ist die Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in das Abgas von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Verringerung der NOx-Emissionen im Abgas, ausgebildet.
Der Durchflusssensor ist dem Schaltventil vorzugsweise nachgeordnet.
Bevorzugt weist die Dosiereinheit ein lineares Schaltventil auf, da die Dosiermenge kontinuierlich im Fluss ist. Dadurch werden Pulsationen im System verhindert, und es wird auch eine Kleinstmengendosierung ermöglicht. Die Dosierung kann hierbei über die Öffnungszeit und den Öffnungsgrad des Ventils erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Dosiereinheit ein digitales Schaltventil. Ein solches digitales Schaltventil weist lediglich zwei Stellungen auf (auf und zu), wobei die Dosiermenge über die Öffnungsfrequenz und die Öffnungszeit gesteuert wird. Bei einer solchen Ausführungsform eines Schaltventils können Pulsationen in der zu dosierenden Substanz verursacht werden. Derartigen Pulsationen kann durch Anordnung eines Pulsationsdämpfers begegnet werden. In Weiterbildung der Erfindung weist daher die Dosiereinheit einen dem Schaltventil zugeordneten, insbesondere nachgeordneten, Pulsationsdämpfer auf, der insbesondere in Verbindung mit einem digitalen Schaltventil Verwendung findet. Bei der Dämpfung kann beispielsweise mit einem Reflektions- oder einem Absorptionsdämpfer gearbeitet werden. Besonders gute Ergebnisse werden mit einer Ausführungsform erzielt, bei der der Pulsationsdämpfer als Expansionsdämpfer ausgebildet ist. Ein solcher Expansionsdämpfer bewirkt eine Strömungsverlangsamung nach dem Schaltventil, beispielsweise durch eine Querschnittsaufweitung der entsprechenden Leitung. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine entsprechende Dämpfung auch durch eine verringerte Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Schaltventils erzielt werden.
Vorzugsweise ist im Leitungssystem nach Schaltventil und Durchflusssensor ein Sicherungsventil angeordnet. Insbesondere kommt hierbei ein Rückschlagventil zur Anwendung. Ein derartiges Sicherungsventil dient zur Erhöhung der Abdichtung des Systems in Richtung Abgas.
Als Durchflusssensor (Mass-Flow-Sensor) kann generell jeder geeignete Sensor Verwendung finden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet als Durchflusssensor ein Ultraschallsensor zur Laufzeitmessung in der dosierten Substanz Verwendung. Mit dem Durchflusssensor wird der Durchfluss durch das Leitungssystem der Dosieranlage ermittelt. Die entsprechenden Informationen über die Durchflussmenge werden vom Sensor in der Form von elektrischen Signalen an eine geeignete Steuer/Auswerteeinheit weitergegeben, dort ausgewertet und zur Steuerung der Dosieranlage verwendet.
Der vorstehend erwähnte Ultraschallsensor hat den Vorteil, dass hiermit neben der Durchflussmessung weitere Messungen durchgeführt werden können. Beispielsweise kann bei Verwendung einer Referenzstrecke in der dosierten Substanz auf die Schallgeschwindigkeit in der Substanz rückgeschlossen werden. Aus weiteren Daten, wie Temperatur und Druck, kann letztendlich auch die Konzentration der Substanz (mindestens eines Zweistoffgemisches) ermittelt werden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosieranlage zeichnet sich daher dadurch aus, dass der Ultraschallsensor eine kombinierte Durchflussmessung und Konzentrationsmessung durchführt.
Noch eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Durchflussmessung mittels thermischem Prinzip realisiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in das Abgas von Kraftfahrzeugen; und
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Dosieranlage.
Die in 1 schematisch dargestellte Dosieranlage besitzt ein Reservoir, das zur Aufnahme der zu dosierenden Substanz, beispielsweise einer Harnstofflösung, dient. Von dem Reservoir führt ein Leitungssystem 1 zur Abgasanlage des zugehörigen Kraftfahrzeuges, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Im Leitungssystem 1 ist ein Schaltventil 3 angeordnet, das hier als Linearventil ausgebildet ist. Mit dem Ventil kann das Leitungssystem 1 über einen beliebigen Zeitraum beliebig weit geöffnet und geschlossen werden.
Vom Schaltventil 3 aus führt das Leitungssystem 1 zu einem Durchflusssensor 2. Der Durchflusssensor 2 ist hierbei als Ultraschallsensor (US) 4 ausgebildet, mittels dem die Laufzeit von Ultraschall in der zu dosierenden Substanz ermittelt und hieraus die Durchflussmenge berechnet werden kann. Die Parameter Druck (p) und Temperatur (T) können hierbei Berücksichtigung finden.
Dem Durchflusssensor 2 nachgeordnet ist ein Sicherungsventil 5, das hier als Rückschlagventil ausgebildet ist und einen Schutz gegen rückströmende Substanzen bietet.
Bei der hier beschriebenen und dargestellten Dosieranlage wird mit Hilfe des Schaltventils 3 die dem Abgas zuzuführende Substanz dosiert. Mit Hilfe des nachgeordneten Durchflusssensors 2 wird die dosierte Durchflussmenge gemessen. Mit lediglich zwei einfachen Bauteilen wird daher eine exakte Dosierung der zuzuführenden Substanz durchgeführt, indem das Schaltventil 3 in Abhängigkeit von der vom Durchflusssensor 2 gemessenen Durchflussmenge gesteuert wird.
2 zeigt eine entsprechende Ausführungsform einer Dosieranlage, die sich von der in 1 dargestellten Dosieranlage lediglich dadurch unterscheidet, dass hier als Schaltventil 3 ein digitales Schaltventil verwendet wird, bei dem die Dosiermenge über die Öffnungsfrequenz (auf/zu) und die Öffnungszeit gesteuert wird. Da hierdurch Pulsationen in der zu dosierenden Substanz auftreten können, ist dem Schaltventil 3 unmittelbar nachgeordnet ein Pulsationsdämpfer 6, bei dem es sich beispielsweise um einen Expansionsdämpfer handeln kann, der durch eine Querschnittserweiterung der zugehörigen Leitung realisiert ist. Alle weiteren Bauteile entsprechen denen der Dosieranlage der 1.

Claims

Dosieranlage zur Zuführung von Substanzen in Gasströme mit einem Reservoir, einem hiervon abführenden Leitungssystem und einer im Leitungssystem angeordneten Dosiereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit ein Schaltventil (3) und einen Durchflusssensor (2) umfasst.
Dosieranlage zu Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Zuführung von Substanzen in das Abgas von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Verringerung der NO_x-Emissionen im Abgas, ausgebildet ist.
Dosieranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit ein lineares Schaltventil (3) aufweist.
Dosieranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit ein digitales Schaltventil (3) aufweist.
Dosieranlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit einen dem Schaltventil (3) zugeordneten, insbesondere nachgeordneten, Pulsationsdämpfer (6) aufweist.
Dosieranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsationsdämpfer (6) als Expansionsdämpfer ausgebildet ist.
Dosieranlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungssystem (1) nach Schaltventil (3) und Durchflusssensor (2) ein Sicherungsventil (5) angeordnet ist.
Dosieranlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflusssensor (2) ein Ultraschallsensor zur Laufzeitmessung in der dosierten Substanz Verwendung findet.
Dosieranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor eine kombinierte Durchflussmessung und Konzentrationsmessung durchführt.
Dosieranlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Einführung einer festen, flüssigen oder gasförmigen Substanz ausgebildet ist.
Dosieranlage nach einem der Ansprüche 1–7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmessung mittels thermischem Prinzip durchgeführt wird.